A 32-channel event-based bio-signal analog front-end with adaptive delta and pulse frequency encoding
यह शोध पत्र 180 nm CMOS में निर्मित एक 32-चैनल इवेंट-आधारित एनालॉग फ्रंट-एंड ASIC प्रस्तुत करता है जो न्यूरोमॉर्फिक ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस के लिए अत्यधिक कॉन्फ़िगर करने योग्य, कम-शक्ति वाले और संपीड़ित बायोमेडिकल सिग्नल अधिग्रहण को सक्षम करने हेतु ड्यूल-मोड पल्स फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन और एडेप्टिव एसिंक्रोनस डेल्टा मॉड्यूलेशन का उपयोग करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले शोर वाले स्टेडियम में एक फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप एक मानक माइक्रोफ़ोन का उपयोग करते हैं जो सब कुछ रिकॉर्ड करता है, तो आपको शोर की एक ऐसी दीवार मिलेगी जो फुसफुसाहट को दबा देगी। अब, कल्पना कीजिए कि एक सुपर-स्मार्ट माइक्रोफ़ोन है जो केवल फुसफुसाहट को रिकॉर्ड करता है और भीड़ को अनदेखा कर देता है, लेकिन यह भी जानता है कि भीड़ कितनी तेज़ होती है, इसके आधार पर वॉल्यूम को तुरंत ऊपर या नीचे कैसे करना है। यह मूल रूप से वही है जो इस शोधकर्ताओं की टीम ने बनाया है: एक छोटा, 32-चैनल वाला "स्मार्ट माइक्रोफ़ोन" चिप, जिसे शोर से अभिभूत हुए बिना मस्तिष्क के विद्युत संकेतों को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया है।
पुराने माइक्रोफ़ोन के साथ समस्या
मस्तिष्क के संकेतों को सुनने वाले अधिकांश उपकरण (जैसे कि ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस में उपयोग किए जाते हैं) एक "फिक्स्ड" (निश्चित) सेटिंग का उपयोग करते हैं। इसे एक सुरक्षा कैमरे की तरह समझें जिसका मोशन सेंसर एक विशिष्ट संवेदनशीलता पर सेट है। यदि सेटिंग बहुत संवेदनशील है, तो हवा में उड़ता हुआ एक पत्ता (शोर) कैमरे को ट्रिगर कर देगा, जिससे आपके स्टोरेज में बेकार तस्वीरें भर जाएंगी। यदि सेटिंग बहुत ढीली है, तो कैमरा वास्तविक व्यक्ति के आने का इंतज़ार करता रह जाएगा क्योंकि वह किसी बड़े आंदोलन की प्रतीक्षा कर रहा है। पेपर का तर्क है कि यह "एक ही आकार सबके लिए" (one-size-fits-all) वाला दृष्टिकोण दीर्घकालिक निगरानी के लिए एक मृत अंत है क्योंकि वास्तविक दुनिया के संकेत अस्त-व्यस्त होते हैं और समय के साथ बदलते रहते हैं। एक निश्चित सेटिंग या तो बहुत अधिक डेटा बनाती है या महत्वपूर्ण विवरणों को मिस कर देती है।
नया "स्मार्ट" चिप
शोधकर्ताओं ने एक नया चिप बनाया है, जिसे 180 nm CMOS प्रक्रिया में निर्मित किया गया है, जो एक 32-चैनल स्मार्ट माइक्रोफ़ोन की तरह कार्य करता है। प्रत्येक चैनल के पास सुनने के दो विशेष तरीके हैं:
- पल्स फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन (PFM): यह एक ड्रमर की तरह है जो संगीत तीव्र होने पर ड्रम तेज़ी से बजाता है और शांत होने पर धीरे बजाता है। यह सिग्नल को "स्पाइक्स" या घटनाओं की एक धारा में बदल देता है।
- एडेप्टिव एसिंक्रोनस डेल्टा मॉड्यूलेटर (aADM): यह असली स्टार है। एक निश्चित नियम का पालन करने के बजाय, इस सर्किट में एक बिल्ट-इन "एनवेलप ट्रैकर" है। एक सर्फर की कल्पना करें जो लहर के बदलते आकार के साथ तालमेल बिठाने के लिए लगातार अपने बोर्ड को एडजस्ट करता है। यह सर्किट इनकमिंग सिग्नल के "एनवेलप" (कुल आकार) का वास्तविक समय में अनुसरण करता है।
"सर्फर" कैसे काम करता है
aADM सर्किट को सिग्नल के "नॉइज़ फ्लोर" (सिग्नल के निरंतर बैकग्राउंड हिस/शोर) को अनदेखा करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह ऐसा करने के लिए सिग्नल के वॉल्यूम में धीमे, कम-आवृत्ति वाले परिवर्तनों को देखता है। यदि बैकग्राउंड शोर बढ़ जाता है, तो चिप स्वचालित रूप से अपने "थ्रेशोल्ड" (रिकॉर्डिंग को ट्रिगर करने के लिए आवश्यक स्तर) को बढ़ा देता है ताकि वह शोर से ट्रिगर न हो। यदि शोर कम होता है, तो यह शांत विवरणों को पकड़ने के लिए थ्रेशोल्ड को नीचे कर देता है।
हालाँकि, यह इतना स्मार्ट है कि यह बैकग्राउंड शोर और एक वास्तविक घटना के बीच अंतर कर सके। यदि अचानक, एक तेज़ स्पाइक होता है—जैसे कि एक न्यूरॉन का एक्शन पोटेंशियल फायर करना—तो सर्किट धीमे शोर के परिवर्तनों को अनदेखा कर देता है और उस तेज़ घटना को तुरंत कैप्चर करता है। यह चिप को डेटा को भारी रूप से कंप्रेस करने की अनुमति देता है, जिससे केवल "दिलचस्प" हिस्सों को भेजना और बाकी को अनदेखा करना संभव होता है।
उन्होंने वास्तव में क्या मापा
टीम ने केवल कंप्यूटर पर इसका सिमुलेशन नहीं किया; उन्होंने भौतिक चिप बनाई और उसका परीक्षण किया।
- चिप का आकार: यह 3.22 mm × 5.67 mm है।
- चैनल: इसमें 32 स्वतंत्र चैनल हैं जिन्हें व्यक्तिगत रूप से प्रोग्राम किया जा सकता है।
- शोर: उन्होंने सिग्नल चेन (पहले एम्पलीफायर से अंत तक) के शोर को मापा और पाया कि यह 1.6 kHz के बैंडविड्थ पर 68.72 𝜇Vrms तक इंटीग्रेटेड था।
- परिणाम: अपने प्रयोगों में, उन्होंने चिप को बदलते शोर स्तरों वाला एक "स्टेयरकेस" (सीढ़ीनुमा) सिंथेटिक सिग्नल दिया। चिप ने बदलते शोर के अनुसार अपने थ्रेशोल्ड को सफलतापूर्वक अनुकूलित किया, जैसा कि उनके माप में दिखाया गया है। जब उन्होंने 1.7 सेकंड के पास एक विशिष्ट घटना (जैसे सिम्युलेटेड एक्शन पोटेंशियल) पेश की, तो चिप ने इसे विश्वसनीय रूप से रिकॉर्ड किया, भले ही बैकग्राउंड शोर अधिक था।
यह क्या नहीं है (अभी तक)
पेपर सावधानी से उल्लेख करता है कि हालांकि यह चिप काम करती है, लेकिन यह एक प्रोटोटाइप है। लेखकों ने उल्लेख किया कि शोर को और कम करने के लिए, वे पहले एम्पलीफायर (LNA) को बड़ा बना सकते थे, लेकिन उन्होंने एडेप्टिव सर्किट को अधिक जगह देने के लिए ऐसा नहीं किया। इसका मतलब है कि उन्होंने जो शोर स्तर (68.72 𝜇Vrms) मापा है, वह एक ट्रेड-ऑफ है जो उन्होंने यह साबित करने के लिए किया है कि एडेप्टिव कॉन्सेप्ट काम करता है। उन्होंने यह भी नोट किया कि जबकि चिप के PFM भाग का परीक्षण किया गया और कार्यात्मक पाया गया, मुख्य ध्यान और इस विशिष्ट कार्य का "ब्रेकथ्रू" एडेप्टिव डेल्टा मॉड्यूलेशन है।
मुख्य निष्कर्ष
यह चिप मस्तिष्क के संकेतों का उपयोग करके कंप्यूटर से बात करने का एक नया तरीका सुझाती है। सेंसर को स्वयं यह तय करने देकर कि क्या महत्वपूर्ण है और क्या केवल शोर है, यह डेटा ओवरलोड की समस्या को हल करता है। यह उन वायरलेस सिस्टम की ओर एक कदम है जो बिना गीगाबाइट के बेकार स्टैटिक डेटा को वापस भेजे, लंबे समय तक मस्तिष्क को सुन सकते हैं। लेखकों ने सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया है कि यह एडेप्टिव दृष्टिकोण वास्तविक हार्डवेयर में काम करता है, जो अधिक कुशल ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस का मार्ग प्रशस्त करता है।
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